張國明, 胡 潔, 王素梅, 劉 達(dá), 江 毅
(1.北京理工大學(xué) 激光微納制造實(shí)驗(yàn)室,北京 100081;2.北京理工大學(xué) 光電學(xué)院,北京 100081)
基于ZigBee無線傳輸?shù)膬A角傳感器網(wǎng)絡(luò)*
張國明1, 胡 潔1, 王素梅1, 劉 達(dá)1, 江 毅2
(1.北京理工大學(xué) 激光微納制造實(shí)驗(yàn)室,北京 100081;2.北京理工大學(xué) 光電學(xué)院,北京 100081)
應(yīng)用ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件和軟件以及上位機(jī)軟件研制了一種無線傾角傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。采用了二次溫度補(bǔ)償解決溫度對測量精度的影響,并對無線網(wǎng)絡(luò)的功耗進(jìn)行了優(yōu)化處理。實(shí)驗(yàn)表明:該系統(tǒng)的測量精度達(dá)到了±0.01°(傾角測量范圍為±3°),數(shù)據(jù)采集間隔為1次/s時(shí),平均電流僅為0.21 mA,達(dá)到了高精度低功耗的設(shè)計(jì)要求。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò); 傾角傳感器; ZigBee; LabVIEW; 二次溫度補(bǔ)償
隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,傾角傳感數(shù)據(jù)的采集變得越來越廣泛和重要。如可穿戴設(shè)備上的人體姿態(tài)測量;工業(yè)上,航空測量、飛行器的慣性測量系統(tǒng)、車船傾斜測量、鉆井平臺(tái)測量、基建測量、巖體傾向判斷等許多行業(yè)都用到了傾角傳感器[1],并且需要大量安裝在不同位置的傾角傳感器。
本文中數(shù)據(jù)傳輸使用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)技術(shù),是由大量隨機(jī)分布的、具有實(shí)時(shí)感知、無線通信和自組織能力的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的[2]。與傳統(tǒng)有線系統(tǒng)相比,無線系統(tǒng)無需考慮布線,可大大提高工作效率,與其他無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相比,ZigBee技術(shù)具有數(shù)據(jù)傳輸安全可靠、組網(wǎng)簡易靈活、設(shè)備成本低等優(yōu)勢[3~5]。
系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖1。傳感節(jié)點(diǎn)作為終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傾角數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行簡單處理后,由無線模塊發(fā)送到協(xié)調(diào)器,再由協(xié)調(diào)器上傳給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理分析和顯示。由于節(jié)點(diǎn)硬件資源有限,如何在保證節(jié)點(diǎn)擁有足夠的計(jì)算、存儲(chǔ)和通信能力的前提下,高效使用能量,延長節(jié)點(diǎn)的壽命從而增加網(wǎng)絡(luò)的生命周期,并且控制成本和體積,都是傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)需要考慮的問題[6]。
圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Diagram of overall structure of system
傳感器節(jié)點(diǎn)由三部分構(gòu)成:YLZ—332雙軸傾角傳感器;無線數(shù)據(jù)傳輸采用CC2530模塊;電源管理模塊。傳感節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。
圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)示意圖Fig 2 Diagram of sensor node
YLZ—332雙軸傾角傳感器采用了Analog Devices(ADI)公司的3D—MEMS技術(shù),同時(shí)配合修正軟件和ASIC專用處理電路,對溫度變化進(jìn)行了補(bǔ)償,是一種高分辨率、高精度、大量程、低功耗的數(shù)字傾角傳感器。其分辨率優(yōu)于0.004°(單軸測量,在±25°范圍內(nèi)),±3°范圍內(nèi),測試溫度(25±4)℃,精度可達(dá)±0.01°,但是當(dāng)溫度大幅度變化時(shí),測量精度下降,為了解決這個(gè)問題,需要進(jìn)行二次溫度補(bǔ)償,內(nèi)置溫度傳感器可用來進(jìn)行溫度的二次補(bǔ)償。功耗非常低,平均工作電流僅1 mA??梢酝饨訄?bào)警器,當(dāng)傾角達(dá)到某一設(shè)置的臨界值時(shí),觸發(fā)報(bào)警器實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場報(bào)警的功能。傳感數(shù)據(jù)的通信協(xié)議采用串行異步通信協(xié)議(UART),其輸出信號(hào)為TTL電平,讀取傾角傳感器的數(shù)據(jù)時(shí)采用“請求—應(yīng)答”的方式。不請求,則不傳送數(shù)據(jù),這樣不但降低了功耗且方便CC2530的數(shù)據(jù)采集。
采用的CC2530無線模塊是2.4 GBZ IEEE 802.15.4,ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案。它能夠以非常低的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能,內(nèi)嵌增強(qiáng)型8051 CPU,系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存,8 kB RAM等強(qiáng)大的功能。CC2530具有不同的運(yùn)行模式,使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。支持ZigBee協(xié)議棧(Z—Stack協(xié)議棧),方便用戶的開發(fā)和使用。
CC2530主要有三個(gè)功能,即數(shù)據(jù)采集、電源管理模塊的控制,以及無線數(shù)據(jù)的收發(fā)。由于讀取傾角傳感器的數(shù)據(jù)時(shí)采用“請求—應(yīng)答”的方式,所以,數(shù)據(jù)采集的功能是直接發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令,傾角傳感器就會(huì)返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)。為了降低功耗,傾角傳感器的供電采用周期性的供電模式,即CC2530采集傳感數(shù)據(jù)時(shí)恢復(fù)供電,不采集時(shí)中斷供電,通過CC2530的P00口控制電源管理模塊實(shí)現(xiàn)。
電源管理模塊采用兩節(jié)3.7 V聚合物鋰離子電池,通過穩(wěn)壓芯片LM1117—3.3提供穩(wěn)定的3.3 V電壓,8050三極管充當(dāng)傾角傳感器的電源開關(guān)。電源管理模塊主要有兩個(gè)功能:為ZigBee模塊和傾角傳感器提供穩(wěn)定的供電電壓以及控制傾角傳感器的供電時(shí)間,在不影響正常工作的前提下,降低了功耗。
LabVIEW是美國NI公司推出的一種基于圖形化編程語言—G語言(graphics language)的虛擬儀器軟件開發(fā)工具,其在測量測試、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、數(shù)字信號(hào)分析、工廠自動(dòng)化等領(lǐng)域獲得了廣泛的引用[7]。
傳感節(jié)點(diǎn)采集到數(shù)據(jù)后,進(jìn)行簡單處理并經(jīng)過無線傳感網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器,然后通過USB轉(zhuǎn)串口線,實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器到上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。上位機(jī)軟件獲取數(shù)據(jù)的方式為請求—應(yīng)答的方式,即上位機(jī)軟件發(fā)送一組命令后,協(xié)調(diào)器解析命令后作出響應(yīng),將相應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)軟件。本文傾角數(shù)據(jù)的獲取是通過上位機(jī)軟件發(fā)送一個(gè)周期請求角度數(shù)據(jù)的命令,協(xié)調(diào)器就可以不斷地上傳數(shù)據(jù)并顯示到如圖3的界面上,圖4為電壓監(jiān)控界面和歷史數(shù)據(jù)查詢界面,方便對所有以往數(shù)據(jù)的管理。
圖3 軟件界面一Fig 3 Software interface 1
圖4 軟件界面二Fig 4 Software interface 2
由于溫度對傾角傳感器的精度有較大的影響,即最大零位溫度漂移為0.1 ℃,所以,為了保證無線傾角傳感器的精度,需要對傾角傳感器進(jìn)行二次溫度補(bǔ)償。本實(shí)驗(yàn)使用內(nèi)置溫度傳感器提供標(biāo)定所需要的溫度數(shù)據(jù)。
本實(shí)驗(yàn)分別對X軸,Y軸做了零值標(biāo)定?,F(xiàn)只給出X軸的零值標(biāo)定過程,即
(1)
圖5 不同溫度下的零位漂移Fig 5 Zero drift at different temperature
通過以上測定數(shù)據(jù),擬合出的溫度漂移函數(shù)直線為
(2)
由式(1)和式(2)可得
(3)
根據(jù)式(3)并通過上位機(jī)軟件進(jìn)行二次補(bǔ)償。經(jīng)測試,當(dāng)溫度在5~65 ℃變化,角度在±3°變化時(shí),精度仍可達(dá)±0.01 ℃的設(shè)計(jì)要求。最后進(jìn)行了節(jié)點(diǎn)的功耗測試,當(dāng)傾角數(shù)據(jù)的采集間隔為1次/s時(shí),測得平均電流為0.21 mA,很好地滿足了低功耗的要求。
本文設(shè)計(jì)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的采集、無線發(fā)送、處理、顯示,可以應(yīng)用于可穿戴設(shè)備、智能家居、工業(yè)等領(lǐng)域。
系統(tǒng)實(shí)際測試表明:該系統(tǒng)的測量精度達(dá)到了±0.01°(傾角測量范圍為±3°),數(shù)據(jù)采集間隔為1次/s,平均電流僅為0.21 mA,達(dá)到了高精度低功耗的設(shè)計(jì)要求。
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胡 潔,通訊作者,E—mail:jiehu2@bit.edu.cn。
Wireless transmission tilt angular sensor network based on ZigBee*
ZHANG Guo-ming1, HU Jie1, WANG Su-mei1, LIU Da1, JIANG Yi2
(1.Laser Micro/Nano Fabrication Laboratory,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China;2.School of Optoelectronics,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)
Develop a wireless sensor networks(WSNs)system used for tilt angular measurement by applying hardware,software of ZigBee sensor node and upper PC software.Adopt technique of twice temperature compensation to solve influence of temperature on measurement precision, and optimize power consumption of WSNs.The experiment shows that measurement precision of system is ±0.01° (range of tilt angular measurement is ±3°),and the average current is only 0.21 mA,meets the design requirements of high precision and low power consumption.
wireless sensor networks(WSNs); tilt angular sensor; ZigBee; LabVIEW; twice temperature compensation
10.13873/J.1000—9787(2016)07—0064—03
2015—11—02
國家“863”計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015AA043504)
TP 393
A
1000—9787(2016)07—0064—03
張國明(1989-),男,山東臨沂人,碩士研究生,研究方向?yàn)閭鞲信c控制。